陶瓷插芯微孔加工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

劉紅娟　張舜德

(寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院海天學(xué)院，浙江 寧波 315800)

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陶瓷插芯微孔加工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

劉紅娟張舜德

(寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院海天學(xué)院，浙江 寧波 315800)

針對硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特點(diǎn)與要求，分析了其加工難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，據(jù)此設(shè)計(jì)了陶瓷插芯微孔加工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了闡述；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的若干技術(shù)難點(diǎn)如鋼絲張緊度調(diào)節(jié)、鋼絲斷裂等問題進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。應(yīng)用改進(jìn)后的設(shè)備投入陶瓷插芯微孔的加工并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)一個月的生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，很好地滿足了零件的生產(chǎn)要求，同時大大提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品性能滿足了市場的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

陶瓷插芯；微孔；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；生產(chǎn)試驗(yàn)

工程材料當(dāng)中硬脆材料的硬度高、脆性大，與金屬材料相比，其物理性能和機(jī)械加工性能差異較大。工程陶瓷中應(yīng)用較為廣泛的氧化鋯(ZrO2)是一種多晶體氧化物，目前在光通信產(chǎn)業(yè)中大量使用的光纖連接器的重要部件多是采用氧化鋯作為其制作材料。

氧化鋯(ZrO2)是典型的硬脆材料，其在高溫?zé)Y(jié)時加入穩(wěn)定劑可形成部分穩(wěn)定氧化鋯(Partially Stablized Ziconia)，簡稱為PSZ。由于PSZ是在高達(dá)1 350 ℃的高溫下由94.8%的ZrO2和5.1%的V2O粉末燒結(jié)而成，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)1 300 MPa,維氏硬度大于11 GPa，屬于超硬材料，具有非常高的耐磨性，因此此類材料應(yīng)用一般切削金屬的方式很難加工。

1　陶瓷插芯微孔加工要求

光纖連接器陶瓷插芯是用來連接光纖的重要元件，在光通信的體系中為數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸起著至關(guān)重要的作用。由于PSZ在高溫高壓和惡劣條件下的穩(wěn)定性，其成為了光纖連接器的首選材料。圖1為光纖連接器陶瓷插芯的實(shí)物圖。

陶瓷插芯為細(xì)管狀結(jié)構(gòu)，外徑約為2.5 mm，長度10.5 mm左右，在其管正中有一個微內(nèi)孔(內(nèi)孔尺寸：φ0.125±0.001 mm)。在陶瓷插芯加工過程中，其微內(nèi)孔的加工是其加工的關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。陶瓷插芯的主要尺寸及精度要求如表1。

表1陶瓷插芯的尺寸及精度要求

外徑尺寸/mm精度/mm長度尺寸/mm精度/μm內(nèi)孔尺寸/mm精度/μm內(nèi)孔表面粗糙度/μm2.499±0.510.5±0.050.125±1≤0.5

根據(jù)表中的尺寸及精度要求分析，該微孔的加工為超精密加工，加工難度較大。通常在實(shí)際生產(chǎn)中，加工原料為注塑成型的陶瓷插芯毛胚，其內(nèi)孔尺寸約為0.1 mm左右，而通過后續(xù)的精加工使其微內(nèi)孔的尺寸達(dá)到0.125±0.001 mm的精度要求才能滿足出廠規(guī)定。

2　微孔加工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1微孔加工的工作原理

PSZ材料的硬度高，脆性大，陶瓷插芯微內(nèi)孔直徑非常小，又屬于細(xì)長孔，使用鉆削加工的方式難以實(shí)現(xiàn)微孔的加工，故只能選用磨削的方式微量去除材料使之達(dá)到孔徑尺寸精度要求。磨削技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)精密加工、超精密加工最有效、應(yīng)用最廣的制造技術(shù)，特別是針對陶瓷這一類的硬脆材料。根據(jù)陶瓷插芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采取錐狀鋼絲蘸取研磨液于微孔中反復(fù)研磨使其孔徑達(dá)到要求的尺寸精度。

2.2微孔加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)陶瓷插芯的磨削要求初步設(shè)計(jì)其加工原理如圖2所示。錐狀鋼絲11穿過裝有工件的澆錫管2通過主軸1帶動旋轉(zhuǎn)；主軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中，氣缸3、10中裝載的研磨劑盒提供研磨液通過鋼絲帶入陶瓷插芯的微孔中精細(xì)研磨；研磨過程中，鋼絲通過托輪、張緊輪、繞線輪與主軸同步帶動旋轉(zhuǎn)。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

該設(shè)計(jì)根據(jù)陶瓷插芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用錐狀鋼絲對微孔進(jìn)行研磨使其達(dá)到理想的尺寸。在研磨的過程中發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)在于鋼絲的張緊度難以控制調(diào)節(jié)；當(dāng)鋼絲突然斷裂時，伺服電動機(jī)仍然未能停止工作，導(dǎo)致主軸空轉(zhuǎn)。針對這一缺陷，該微孔加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)思路如下：

(1)針對鋼絲張緊度難以調(diào)節(jié)的問題，增加配重系統(tǒng)配合光電開關(guān)來調(diào)節(jié)鋼絲的張緊度實(shí)現(xiàn)鋼絲的正向與反向旋轉(zhuǎn)。

(2)在鋼絲開卷手輪附近設(shè)置擺塊與緩沖器，減緩鋼絲張緊過程中的沖擊力。

(3)在開卷與收卷手輪附近設(shè)置傳感器，可在鋼絲突然斷裂時發(fā)出報警，使電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

具體改進(jìn)設(shè)計(jì)方案圖如圖3所示。對新增加的改進(jìn)部分作用具體闡述如下：改進(jìn)后的加工系統(tǒng)增加了擺輪13、緩沖器14，其作用在于：在錐狀鋼絲開卷過程中，擺輪13逆時針旋轉(zhuǎn)逐漸抬起，位于其右上方的緩沖器14可以緩和擺輪13瞬間抬起時的沖擊力。改進(jìn)后的加工系統(tǒng)增加了擺塊開關(guān)15、傳感器17，其作用在于：若錐狀鋼絲突然斷裂，便可使伺服電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。改進(jìn)后的加工系統(tǒng)增加了光電開關(guān)12、配重系統(tǒng)16，其作用在于：在錐狀鋼絲收卷過程中，配重系統(tǒng)16會隨之抬高，當(dāng)其抬高到一定位置的時候，光電開關(guān)12會發(fā)出信號，使伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

3　生產(chǎn)試驗(yàn)

3.1樣機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)的合理性和工作效率，試制了樣機(jī)一臺，投入試生產(chǎn)。該樣機(jī)每天工作時間為8 h，每周工作6天，現(xiàn)將2015年4月份試驗(yàn)生產(chǎn)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號日期加工插芯數(shù)量/個鋼絲更換/根合格率/%14.11586199.01424.21601098.96334.31589098.99244.41598198.97654.61602098.99164.71600099.15574.81598099.00984.91609199.00194.101622099.033104.111588099.132114.131578198.879124.141598098.964134.151579098.661144.161596099.000154.171604099.023164.181598199.001174.201588099.133184.211600198.886194.221606098.997204.231598099.112214.241568199.056224.251610099.057234.271608098.998244.281588199.122254.291598099.068264.301602098.999平均值1596.6150.30799.009

生產(chǎn)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，改進(jìn)后的設(shè)備生產(chǎn)狀況平穩(wěn)，生產(chǎn)效率高；鋼絲更換頻率很低，僅為0.307根/天；生產(chǎn)產(chǎn)品的合格率高，達(dá)到99%以上。

3.2改進(jìn)前與改進(jìn)后設(shè)備的對比

改進(jìn)前與改進(jìn)后的設(shè)備各方面性能對比如表3所示。

表3改進(jìn)前與改進(jìn)后設(shè)備性能的對比

對比項(xiàng)改進(jìn)前改進(jìn)后人員1人/臺1人/3臺鋼絲更換率2.1根/天0.307根/天產(chǎn)品合格率92.336%99.009%

根據(jù)比較的結(jié)果，改進(jìn)后的設(shè)備在人工上從之前的1人/臺減少為1人/3臺，大大節(jié)省了人工成本；另外由于增加了配重系統(tǒng)和緩沖器，鋼絲的斷裂概率大大減小，鋼絲更換率由改進(jìn)前的2.1根/天減少為改進(jìn)后的0.307根/天；同時產(chǎn)品的合格率也大幅提高，由改進(jìn)前的92.336%提高為改進(jìn)后的99.009%。該設(shè)備各方面的性能很好地滿足了陶瓷插芯微孔加工的技術(shù)要求，并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

4　結(jié)語

根據(jù)硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特點(diǎn)與要求，分析了其加工特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，據(jù)此，設(shè)計(jì)了陶瓷插芯微孔加工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了闡述；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的若干技術(shù)難點(diǎn)如鋼絲張緊度調(diào)節(jié)、鋼絲斷裂等問題進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并對改進(jìn)后的加工系統(tǒng)優(yōu)勢特點(diǎn)進(jìn)行了具體闡述。根據(jù)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)試制了樣機(jī)一臺，應(yīng)用改進(jìn)后的設(shè)備投入陶瓷插芯微孔的加工并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)一個月的生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，很好地滿足了零件的生產(chǎn)要求，同時大大提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品性能滿足了市場的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

[1]李伯民等．磨料、磨具與磨削技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 任敬心等．難加工材料磨削技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 李新和等．光纖連接器插芯微內(nèi)孔研磨實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J] ．制造技術(shù)與機(jī)床，2005(6)：44-46.

[4]盛曉敏等．超高速磨削技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5] 何潤琴．陶瓷插芯PC 磨床用電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其動態(tài)特性仿真分析[J] ．制造業(yè)自動化，2011(1)：82-84.

[6] 闞榮．提高陶瓷插芯同軸度的兩種方法[J] ．制造技術(shù)與機(jī)床，2006(5)：84-86.

(編輯孫德茂)

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The mechanical structure design of ceramic ferrule micropore making machine

LIU Hongjuan, ZHANG Shunde

(Haitian College，Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, CHN)

According to the requirements of the ceramic ferrule micropore making process, the difficulty points and key technology were analysed. And then the mechanical structure of ceramic ferrule micropore making machine was designed. The mechanical structure design of the ceramic ferrule micropore making machine was expounded. According to the difficulty points in the production, for example, the adjustment of the steel wire, the breakage of the steel wire, the design of the ceramic ferrule micropore making machine was improved. In the production experiment, according to the the data for one month’s operational report, the structure of the system operates steadily. The ceramic ferrule micropore making machine did not just meet the requirement, but greatly increased the productivity. The mechanical structure design of the ceramic ferrule micropore making machine met the requirement of the market and the purpose of the design.

ceramic ferrule; micropore; structure design; production experiment

TP23

A

劉紅娟，女，1982年生，碩士，講師， 研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

2016-01-12)

160540

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201432727)；浙江省教育廳高等學(xué)校訪問工程師校企合作項(xiàng)目(FG2014036)